深紫外LED封装材料选择对器件性能至关重要

2022-04-02 照明小编 www.gdzrlj.com
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  深紫外 LED 的光效主要由外量子效率决定,而外量子效率受内量子效率和光提取效率影响。随着深紫外 LED 内量子效率不断提高( >80%),深紫外 LED 光提取效率成为限制深紫外 LED 光效提高的关键因素,而深紫外 LED 光提取效率受封装技术影响较大。深紫外 LED 封装技术与目前白光 LED 封装技术有所不同。白光 LED 主要采用有机材料(环氧树脂、硅胶等) 进行封装,但由于深紫外光波长短且能量高,有机材料在长时间深紫外光辐射下会发生紫外降解,严重影响深紫外LED 的光效和可靠性。因此,深紫外LED封装环节对于材料的选择尤其重要。

  LED封装材料主要包括出光材料、散热基板材料和焊接键合材料。其中,出光材料用于芯片发光提取、光调节、机械保护等; 散热基板用于芯片电互连、散热与机械支撑等;焊接键合材料用于芯片固晶、透镜键合等。

  1.出光材料:LED 出光结构一般采用透明材料实现光输出和调节,同时对芯片和线路层起到保护作用。由于有机材料耐热性差和热导率低,深紫外LED 芯片产生的热量会导致有机封装层温度升高,长时间高温下有机材料出现热降解和热老化,甚至是不可逆的碳化现象;此外,在高能量紫外光辐射下,有机封装层会出现透过率下降、微裂纹等不可逆的改变,且随着深紫外光能量不断增加,这些问题更为严重,使得传统有机材料难以满足深紫外 LED 封装需求。总体而言,虽然有报道部分有机材料能够耐受紫外光,但是由于有机材料耐热性差和非气密性,使得有机材料在深紫外 LED 封装中仍然受限。因此,研究者也在不断尝试采用石英玻璃、蓝宝石等无机透明材料来封装深紫外 LED。

深紫外LED封装材料选择对器件性能至关重要
图 1 不同波段深紫外 LED 中出现的硅胶层裂纹

深紫外LED封装材料选择对器件性能至关重要
图 2 新型石英透镜及其深紫外 LED 封装

  2.散热基板材料:目前,LED 散热基板材料主要有树脂类、金属类和陶瓷类。其中树脂类和金属类基板均含有有机树脂绝缘层,这会降低散热基板的热导率,影响基板散热性能;而陶瓷类基板主要包括高温/低温共烧陶瓷基板( HTCC /LTCC) 、厚膜陶瓷基板( TPC) 、覆铜陶瓷基板( DBC) 以及电镀陶瓷基板( DPC)。陶瓷基板具有机械强度高、绝缘性好、导热性高、耐热性好、热膨胀系数小等诸多优势,广泛应用于功率器件封装,特别是大功率LED 封装。由于深紫外 LED 光效较低,输入的绝大部分电能转换为热量,为了避免过多热量对芯片造成高温损伤,需要将芯片产生的热量及时耗散到周围环境中,而深紫外 LED 主要依靠散热基板作为热传导路径,因此高导热陶瓷基板是深紫外 LED 封装用散热基板的很好选择。

  3.焊接键合材料:深紫外 LED 焊接材料包括芯片固晶材料和基板焊接材料,分别用于实现芯片、玻璃盖板(透镜) 与陶瓷基板间焊接。倒装芯片常采用金锡共晶方式实现芯片固晶,水平和垂直芯片可利用导电银胶、无铅焊膏等完成芯片固晶。相对于银胶和无铅焊膏,金锡共晶键合强度高、界面质量好,且键合层热导率高,降低了 LED 热阻。玻璃盖板焊接是在完成芯片固晶后进行,因此焊接温度受到芯片固晶层耐受温度限制,主要包括直接键合和焊料键合。直接键合不需要中间键合材料,利用高温高压方法直接完成玻璃盖板与陶瓷基板间焊接,键合界面平整、强度高,但对设备和工艺控制要求高; 焊料键合是采用低温锡基焊料作为中间层,在加热加压条件下,利用焊料层与金属层间原子相互扩散来完成键合,工艺温度低、操作简单。目前常采用焊料键合来实现玻璃盖板与陶瓷基板间可靠键合,但需要同时在玻璃盖板和陶瓷基板表面制备金属层,以满足金属焊接需求,且键合工艺过程中需要考虑焊料选择、焊料涂覆、焊料溢出和焊接温度等问题。

  近年来,国内外研究者对深紫外 LED 封装材料进行了深入研究,从封装材料技术角度提高了深紫外 LED 光效和可靠性,有效推动了深紫外 LED 技术发展。

  资料来源:《深紫外LED封装技术现状与展望》彭洋;陈明祥;罗小兵;发光学报1000-7032( 2021) 04-0542-18

来源:材料深一度